Wykład 2

Organizacja jądra

komórkowego – pory jądrowe,

transport jądrowy

Pochodzenie komórki eukariotycznej

?

Jak powstało jądro komórkowe, retikulum endoplazmatyczne, cytoszkielet,

mitochondria i chloroplasty i jaka była kolejność powstawania tych organelli?

Jak powstało jądro komórkowe?

Gram +
eubakteria

Gram +
eubakteria

Archebakteria

Eukariont bez
mitochondriów

Eukariont bez
mitochondriów

Tworzenie endospory

Inwaginacje błon

Pochłonięcie
archebakterii

Archebakteria

Jak powstało jądro komórkowe?

Gram +
eubakteria

Gram +
eubakteria

Gram +
eubakteria

Archebakteria

Eukariont bez
mitochondriów

Eukariont bez
mitochondriów

Inwaginacje błon

Pochłonięcie
archebakterii

Archebakteria

Eukariont jako wynik partnerstwa bakterii i

archebakterii: hipoteza „chimery”

• Fagotrofia
• Fuzja
• Symbioza: syntrofia metaboliczna

Struktura jądra komórkowego

Otoczka jądrowa

Jąderko

Heterochromatyna

Euchromatyna

Blaszka jądrowa

Błona zewnętrzna
otoczki jądrowej

Błona wewnętrzna
otoczki jądrowej

Przestrzeń
okołojądrowa

Nukleoplazma

Matriks jądrowa - jądro komórkowe
pozbawione chromatyny

Otoczka jądrowa ma ciągłość z retikulum

endoplazmatycznym oraz zawiera liczne pory

Jąderko

Chromatyna

Otoczka jądrowa

Por jądrowy

Rybosom

Retikulum

endoplazmatyczne

Wnętrze retikulum

endoplazmatycznego

Zewnętrzna warstwa

otoczki jadrowej

Wewnetrzna

warstwa

Funkcje otoczki i kompleksów

porowych

• Ochrona materiału genetycznego

• Selektywna bariera pozwalająca na regulację

procesów zachodzących w jądrze komórkowym

(replikacja, ekspresja genów)

• Dwukierunkowy transport jądrowo-cytoplazmatyczny

• Przez kompleksy porowe transportowane są białka,

RNA, rybonukleinoproteiny

Otwarta i zamknięta mitoza

Otwarta mitoza

Zamknięta mitoza

Powierzchnia otoczki jądrowej od

strony cytoplazmatycznej

• Drożdże: 200 porów na

jądro

• Komórki ludzkie: 2000

do 5000 porów na jądro

• Oocyty

Xenopus

: 20 mln

na jądro

• Rozmieszczenie porów

nie jest równomierne

Mikroskopia sił atomowych

Zdjęcia kompleksów porowych

Strona cytoplazmatyczna

Strona cytoplazmatyczna

Strona cytoplazmatyczna

Strona jądrowa

Strona jądrowa

Model kompleksu porowego

(rok 1993)

Filament cytoplazmatyczny

Pierścień cytoplazmatyczny

Pierścień jądrowy

Centralny szkielet

Koszyk jądrowy

Pierścień dystalny

Błona zewnętrzna

Błona wewnętrzna

Szprycha

Centralna zatyczka

Jądro

Cytoplazma

Otoczka
jądrowa

Istnieje kilka modeli kompleksów

porowych

Centralna zatyczka jest strukturą labilną,

która reprezentuje albo transportowane

kargo albo wsunięty koszyk jądrowy

45% porów zatkanych

12% porów zatkanych

Filament cytoplazmatyczny

Pierścień cytoplazmatyczny

Pierścień jądrowy

Centralny szkielet

Kanał boczny

Filament jądrowy

Koszyk jądrowy

Pierścień dystalny

Błona zewnętrzna

Błona wewnętrzna

Trójwymiarowy model poru jądrowego na podstawie krio-

elektronowej trójwymiarowej tomografii (rok 2003)

90 nm – długość części centr.
50-70 nm – średnica części centr.
50 nm – dł. filamentów cyt.
70 nm – dł. koszyka jądrowego

Wnętrze poru jądrowego wypełnione jest prawdopodobnie

siecią/meszkiem zbudowaną z ruchliwych domen FG, które nie

tworzą struktur drugorzędowych

Kompleks porowy zbudowany jest

z nukleoporyn (Nup)

•

Por jądrowy składa się z 30 białek zwanych nukleoporynami (Nup), które

występują w wielu kopiach (w sumie 456 białek na jeden por jądrowy)

•

Wyróżniamy 3 rodziny nukleoporyn:

1) Nukleoporyny transmembranowe (TM) zbudowane z alfa helis zakotwiczone w

błonie jądrowej; występują w centralnym szkielecie

2) Nukleoporyny niezawierające motywy FG; w tej grupie są białka zawierające

domeny beta-śmigła i solenoidy alfa występujące w centralnym szkielecie

3) Nukleoporyny zawierają charakterystyczne powtarzające się motywy FG

(FXFG, GLFG lub FG, gdzie F-fenyloalanina, G-glicyna, L-leucyna, X-dowolny

aminokwas); występują we wszystkich częściach kompleksu porowego

•

Większość nukleoporyn rozmieszczona jest symetrycznie, nieliczne występują

tylko stronie cytoplazmatycznej lub jądrowej

Beta-śmigło

Alfa-solenoid

Budowa szkieletu centralnego

kompleksu porowego

Kotwice
Płaszcz
Adaptory
Kanał

Białka płaszcza szkieletu centralnego i białka zaginające błony

(tworzenie pęcherzyków) mają wspólne pochodzenie i pierwotne

białka z tej grupy mogły przyczynić się do powstania

kompartmentów błonowych

Filamenty cytoplazmatyczne i

koszyk jądrowy zbudowane są

głównie z nukleoporyn FG

Mobilność nukleoporyny Nup153

N-koniec

Palec cynkowy

FG FG FG FG

Transport cytoplazmatyczno-jądrowy

•

Kompleksy porowe pozwalają na pasywną dyfuzję jonów i małych neutralnych
molekuł do 40 kDa zgodnie z gradientem stężeń

•

Selektywny (zależny od specjalnych sygnałów) transport:

- do jądra: białek (uczestniczących w transkrypcji, replikacji, splicingu, naprawie

DNA)

- z jądra: RNA (mRNA, tRNA, rRNA i snRNA) głównie w postaci kompleksów z

białkami (RNP, rybonukleoproteiny)

- w obu kierunkach (białka regulatorowe, snRNA).

•

Transport jest bardzo szybki i intensywny: około 100 MDa na sekundę może być
transportowane przez jeden por; obliczono, że może się odbywać 1000 translokacji
na sekundę przez jeden por jądrowy

Sygnały transportu cytoplazmatyczno-

jądrowego

Białka selektywnie transportowane prze kompleks poru jądrowego zawierają

w swojej strukturze sekwencję sygnałową, która określa kierunek

transportu:

– białka transportowane z cytoplazmy do jądra komórkowego mają

sekwencję sygnałową o nazwie sygnał lokalizacji jądrowej NLS (ang.

Nuclear Localization Signal); zidentyfikowano dwa typy klasycznych

sygnałów NLS bogatych w reszty lizyny: typ I (PKKKRKV) oraz typ

II (VKRX

10

KKKKLD); sygnałem kierującym małe rybonukleoproteiny

jądrowe (U snRNP) jest reszta trimetyloguanozyny zwana kapem na

końcu 5’ U snRNA;

– białka transportowane z jądra do cytoplazmy mają sekwencję

sygnałową o nazwie sygnał jądrowego eksportu NES (ang. Nuclear

Export Signal); większość sygnałów NES to krótkie sekwencje (8-11

reszt) bogate w leucynę.

Fazy transportu cytoplazmatyczno-jądrowego

1.

rozpoznanie i wiązanie transportowanej molekuły (kargo) przez receptora
transportu i połączenie utworzonego kompleksu kargo-receptor z
nukleoporynami poru jądrowego

2.

translokacja kompleksu kargo-receptor przez kanał centralny poru dzięki
interakcjom receptora transportu z powtórzeniami FG w nukleoporynach

3.

dysocjacja kompleksu kargo-receptor, której efektem jest uwolnienie
transportowanego kargo

Główne składniki transportu jądrowego

–

receptory transportu: karioferyny (Kaps); importyny i
eksportyny

–

nukleoporyny FG

–

białko RanGTP(GDP)

Kompleks importyna alfa/beta

Receptory transportu cytoplazmatyczno-

jądrowego

Receptor

Kargo

Import:

heterodimer importyna alfa i beta
importyna beta
białko NTF2

Eksport:

eksportyna 1 (Crm1, Expo1)
eksportyna 2 (CAS, CSE1)
eksportyna t
eksportyna 5
eksportyna Tap/Nxf1

białka z klasycznymi NLS
snRNA U1, U2, U4, U5
RanGDP

białka z sekwencją NES
importyna αlfa
tRNA
miRNA
mRNA

Export RNA z jądra do cytoplazmy

Białko Ran

•

Pełni istotną rolę w regulacji oddziaływań między receptorami transportu a białkami
transportowanymi

•

Białko o masie 26 kDa z rodziny białek G, wiążących GTP

•

Składa się z sześciu harmonijek β otoczonych pięcioma helisami α połączonymi pętlami

•

Charakterystyczny jest długi C-końcowy koniec, który oddziaływuje z receptorami transportu

•

W zależności od tego czy z białkiem Ran jest związany GTP czy GDP, zmienia się konformacja
przestrzenna pętli I i II oraz C-końca, co wpływa na siłę interakcji białka Ran z kompleksami
kargo-receptor transportu

Mechanizm importu jądrowego

eksportyna

Mechanizm eksportu jądrowego

JĄDRO

NES

NES

Cykl RanGTP/GDP

RCC1=RanGEF

Regulacja transportu cytoplazmatyczno-

jądrowego przez maskowanie molekularne

Mechanizm translokacji przez NPC

1. Model gradientu powinowactwa

Mechanizm translokacji przez NPC

2. Ukierunkowywane

ruchy Browna

3. Selektywna faza

4. „Tłuste spaghetti”

Niekanoniczne funkcje jądrowych kompleksów porowych – biorą udział w

sumoilacji i desumoilacji białek związanych z hnRNA, naprawą DNA,

replikacją DNA, lokalizacją i represją telomerów